Welche Farbe haben Elektronen? erschien ursprünglich auf Quora: dem Wissensnetzwerk, in dem spannende Fragen von Menschen mit einzigartigen Einsichten beantwortet werden.

Antwort von Jerzy Michał Pawlak, Doktor der Hochenergiephysik, auf Quora:

Beginnen wir mit der Frage „Wie nehmen wir Farbe wahr?“ Wenn unsere Augen Licht empfangen, messen sie nicht nur dessen Intensität, sondern auch ganz grob seine Wellenlänge. Wir sehen selten wirklich monochromatisches Licht; normalerweise sehen wir eine Mischung aus verschiedenen Wellenlängen. Unsere Augen haben sich so entwickelt, dass sie eine bestimmte Mischung, in der die Anteile der verschiedenen Wellenlängen ähnlich sind, wie im natürlichen Sonnenlicht, als neutral oder „weiß“ wahrnehmen. Wenn Sie nun ein Objekt betrachten, das Licht reflektiert oder streut und alle Wellenlängen des Lichts auf die gleiche Weise reflektiert, dann sehen Sie die Farbe des Objekts als „neutral“. Wenn du ein farbiges Objekt siehst, bedeutet das, dass es einige Wellenlängen stärker reflektiert als andere, und deshalb hat das reflektierte Licht, das deine Augen erreicht, eine andere Wellenlängenzusammensetzung und du siehst es als farbig.

Wie verhält es sich also mit Elektronen? Reflektieren sie alle Wellenlängen auf die gleiche Weise? Nun, das kommt darauf an. Wenn sie in Atomen und Molekülen gebunden sind, dann können sie nur bestimmte Wellenlängen absorbieren oder reflektieren. Die meisten Farben der Objekte, die wir um uns herum sehen, beruhen auf diesem Mechanismus: Elektronen, die in Farbstoffmolekülen gebunden sind, streuen bestimmte Wellenlängen des Lichts.

Heißt das also, dass Elektronen Farbe haben? Nein, denn das gleiche Elektron, das in verschiedenen Molekülen gebunden ist, würde verschiedene Farben erzeugen, es ist also nicht die Eigenschaft des Elektrons. Um die Frage zu beantworten, müssen wir die Elektronen von allen atomaren oder molekularen Bindungen befreien und uns ein freies Elektron ansehen.

Bei einem einzelnen freien Elektron würde man leider nicht viel sehen, aber glücklicherweise hat man jeden Tag die Möglichkeit, ein großes Ensemble von fast freien Elektronen zu betrachten, indem man z.B. in Spiegeln auf metallische Oberflächen schaut. Ein Metall besteht aus Atomen in einem Kristallgitter. Während die meisten Elektronen an die Atome gebunden sind, können einige von ihnen (die auf den äußersten Elektronenschichten) praktisch frei durch den Kristall wandern. Ihre Wechselwirkung mit dem Licht ist der Wechselwirkung freier Elektronen sehr ähnlich. Wie du im Spiegel sehen kannst, bleibt weißes Licht, das in ihm reflektiert wird, weiß – das bedeutet, dass die Elektronen farbneutral sind.

Ach ja, du könntest nach Gold fragen. Es ist gelb, nicht neutral. Das heißt aber nicht, dass die Elektronen im Gold „gelb“ sind. Der Grund, warum Gold nicht weiß ist, liegt in den Elektronen, die nicht frei sind, sondern an Goldatome gebunden bleiben. Die freien Elektronen in einem Goldstück würden wie in anderen Metallen jede Farbe des Lichts reflektieren; die Goldatome können jedoch einen Teil des blauen Lichts absorbieren, so dass in der Tat weniger blaues Licht reflektiert wird und man die gelbe Farbe sieht.

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